形状记忆合金力学性能及在变体结构中的应用研究

形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)由于其特有的形状记忆效应(Shape Memory Effect,SME)被大量研究和广泛应用。基于SMA的Müller-Achenbach-Seelecke模型进行了单根SMA丝的回复力数值计算验证,并设计了一种SMA丝驱动器应用于机翼变后掠角结构中,完成了机翼连续后掠偏转的原理、方案和具体的结构设计,并加工制备了后掠机翼模型;同时为了实现机翼后掠角变化的精确控制,采用PID控制方法设计了SMA温度与偏转角度双路信号反馈的闭环控制系统,完成了对机翼偏转的控制。实验结果表明,机翼可实现45°的偏转,偏转至设定角度后的平均稳态误差控制在±0.3°以内,实现了对偏转角度的精确控制。

复合材料整体成型大后掠机翼设计与验证研究

根据机翼设计及材料工程力学性能要求,基于给定的机翼外形设计并制造了一种满足工程应用要求的全复合材料整体模压成型机翼结构。通过有限元仿真分析和工程静力学试验方法对该机翼结构进行了全面验证,有限元仿真分析结果与工程静力学试验结果吻合良好,满足复合材料工程力学许用值要求及机翼最大变形不大于半翼展长8%的刚度设计需求,该机翼的力学承载性能得到了充分验证。

基于协同仿真的后掠型风力机气弹响应分析

由于后掠叶片具有积叠线弯曲的结构特点,导致叶片的弹性轴和扭转轴分离,增强了叶片弯扭耦合效应,致使叶片出现强烈的结构非线性变形,同时,沿叶片展向具有明显的三维流动现象。为高精度模拟后掠型风力机的结构振动、变形和气动载荷,通过超级单元法对风力机叶片和塔架结构进行离散,建立了整机刚-柔耦合多体动力学模型;考虑到后掠叶片形状、振动和变形致使空气沿叶片展向三维流动现象显著,采用螺旋尾涡升力线模型分析气动载荷。为高效精确建立包含机械和流体等多学科耦合的风力机模型,采用多体动力学软件建立机械模型,通过Matlab实现叶片气动载荷计算,基于Simulink协同仿真功能实现整机气弹耦合建模。以某后掠型风力机为对象,仿真分析了整机的气弹响应。数值仿真结果表明:本文理论模型和建模方法能有效模拟后掠型风力机的非线性变形和气弹耦合特性,能为新型降载增效机组的气动性能和结构设计提供指导。

后掠式叶片轴流泵固液两相流数值模拟与优化

针对轴流叶轮在污水固液两相流介质中的磨损问题,该文设计了不同后掠式叶轮结构方案进行优化设计,分别对后掠角度为40°、65°、90°的后掠叶片和原型叶片进行固液两相流数值模拟和试验对比,并分析了不同后掠方案叶轮内固体颗粒的分布特性。数值模拟结果表明,随着后掠角度的增加,叶片压力面固相体积分数会逐渐减少,而叶片吸力面上固相体积分数会先增加后减小,叶轮内固相的径向流动越明显并且叶片后掠角度越大,固相就越难与叶片压力面接触,而越易与叶片吸力面接触;颗粒直径越大,后掠叶片压力面上固相体积分数越大,而叶片吸力面进口边靠近轮毂处的固相体积分数增加;颗粒浓度越大,后掠叶片压力面上固相体积分数减少,叶片吸力面上固相体积分数增加。当优化后的后掠叶片角为90°时,该叶片结构优化了固体颗粒的分布,可大幅降低叶片轮缘处的磨损,提高了轴流叶轮在污水介质中的使用寿命和运行可靠性。

后掠式双叶片污水泵优化设计与试验

为了解决污水处理用排污泵叶轮易堵塞和磨损问题,该文设计了一种新型后掠式双叶片污水泵叶轮结构。采用正交试验的方法,按照L9(34)正交表,选取了叶片出口安放角β2、叶轮进口直径Dj、叶片出口宽度b2以及叶轮出口直径D2等因素,设计出了9组方案,通过正交试验分析了4个几何参数对泵性能的影响,得出叶轮出口直径D2是影响效率和扬程的最主要因素,并提出了优化设计方案。基于k-ε湍流模型及离散相零方程模型,对污水泵进行了固液两相流数值模拟,并将数值模拟结果与样机试验结果进行了分析对比。结果表明,双叶片、大包角、叶片前缘后掠的设计方法,可使颗粒杂质向外输送至叶片外周边,保证了固体颗粒或纤维的顺利通过,大幅降低了叶片的磨损,从而提高了泵的使用寿命,同时还具有较高的效率。通过样机试验得到优化设计方案在额定流量点的效率为80%,扬程为11 m,效率高于国家标准2.5%,该水力设计方法对污水泵水力设计具有一定的参考价值。

叶片前缘后掠对离心压气机性能的影响

设计了两个带楔形扩压器的离心压气机,一个为叶片前缘后掠,另一个为叶片前缘不掠式普通叶轮.分别对这两个离心压气机进行内部流场数值计算,比较了这两种压气机性能的差别,分析了前缘后掠对离心压气机的性能及内部二次流的影响.比较了19个扩压器叶片压气机与23个扩压器叶片压气机性能的差别.结果表明,叶片前缘后掠使压气机喘振裕度减小;在叶轮进口附近区域,两种叶轮二次流涡系有一定差别.

相同外特性的后掠式轴流泵固液两相分布与缠绕试验

针对轴流泵在输送污水介质中的磨损和缠绕问题,设计了外特性相同但后掠角分别为40°和60°后掠叶片,并采用Particle颗粒模型进行固液两相流数值模拟,发现设计流量工况下60°后掠叶片固相分布情况要优于40°后掠叶片,60°后掠叶片压力面上的固相体积分数平均比40°后掠叶片上的固相体积分数小0.1,60°后掠叶片吸力面上的固相体积分数平均比40°后掠叶片小0.2。进一步对60°后掠叶片进行研究,发现随着颗粒直径的增加,叶片上的固相体积分数随之增加,且固相集中的区域都很相似;随着初始颗粒体积分数的增加,60°后掠叶片上的固相体积分数也随之增加,但初始颗粒体积分数越大,对后掠叶片压力面上固相体积分数的影响越小。为检验后掠叶片的抗缠绕能力,对60°后掠叶片进行缠绕试验,发现单独的后掠叶片形式的轴流叶轮不易发生缠绕,但当叶轮与套筒配合后,若面对大量棉线,容易在进口边轮缘处发生堆积。该研究为输送污水介质轴流泵的抗磨损和抗缠绕性能的研究提供了参考。

后掠式轴流泵内部流场的二维PIV试验研究

以一后掠角为60°的后掠式轴流泵为研究对象,采用PIV技术对其内部流场进行测量,得到了0.8Qopt,1.0Qopt,1.2Qopt3个工况下叶轮在一个流道周期的12个拍摄截面上的速度场。发现在0.8Qopt工况下,经过后掠叶片的流体具有明显的径向流动趋势,流量越小径向流动趋势越明显。叶轮内流体在后掠叶片进口边和转轮端壁区容易出现低速区域,并且流量越小低速区域越大;在靠近轮缘附近,叶片进口边压力面上的流体会向吸力面流动,流量越小该现象越明显。研究结果对掌握不同型式叶片的轴流泵内部流动特性具有重要的理论指导作用。

后掠式双叶片污水泵固液两相流动规律的数值模拟

基于Particle模型,采用SIMPLEC算法、多重参考坐标系法对后掠式双叶片污水泵固液两相流场进行数值模拟.液相采用标准k-ε双方程湍流模型,固体颗粒采用离散相零方程模型,分析了固相颗粒体积浓度分别为5%,10%,15%,20%,颗粒粒径分别为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mm时,固相颗粒在泵内的分布情况及其滑移速度的大小,从而进一步研究泵内过流部件的磨损情况,并探讨了颗粒浓度及大小对泵水力性能的影响规律.结果表明,颗粒直径一定时,随固相体积浓度的增大,颗粒运动轨迹偏向叶片吸力面;叶片压力面及吸力面尾部的后盖板处固体颗粒滑移速度增加明显,该处壁面产生磨损,因此设计时后盖板处应加厚;固体颗粒的粒径及固相体积浓度对泵水力外特性有着不同程度的影响,粒径增加,泵扬程、效率均下降;固相体积浓度增加,泵扬程增加、效率下降.样机试验表明:额定工况下效率为80%,扬程为11 m,设计合理,达到国内污水泵设计的领先水平.

三叶后掠-HEDT组合桨搅拌釜内流场的模拟及实验

对应用于聚乙烯聚合反应中的三叶后掠-HEDT组合桨的搅拌釜内流场进行了模拟研究,分析组合桨的离底距C1、桨间距C2以及转速N的变化对搅拌釜内流场的影响,利用PIV实验对模拟结果进行了验证;将该组合桨与三叶后掠-六直叶圆盘涡轮组合桨进行了模拟对比研究。结果表明:当桨间距与釜内径的比为0.35时,釜内桨叶间的流体流动效果最好,该条件下能够改善搅拌釜上层流体的速度分布;当离底距与釜内径的比值为0.29时,组合桨下方出现了整体的环流,有利于釜底流体的混合;桨叶转速N=90 r/min时釜内流体速度分布均匀,同时上层HEDT桨叶产生的射流方向趋于水平。两种组合桨的对比研究表明:二者流型相近,但前者搅拌功率能够得到明显降低。研究结果可为三叶后掠-HEDT组合桨在聚乙烯聚合反应釜中的工程应用提供参考。

后掠翼身交接区流动结构及参数影响研究

在水槽中利用激光片光源及荧光素钠染色液显示方法 ,研究了圆柱、机翼与平板交接区及后掠圆柱、后掠机翼变迎角情况下的干扰流场结构、特性及参数影响规律。结果表明 ,除Re数之外模型迎角、后掠角等参数对干扰区马蹄涡特性有很大影响。研究发现后掠圆柱及后掠机翼在一定条件下存在一类既不同于马蹄涡也不同于卡门涡的空间稳定发展的三维旋涡系即背涡。讨论了干扰背涡产生的机制及其与马蹄涡的相互关系。

大展弦比复杂机翼刚度计算方法研究

针对大展弦比复杂机翼,提出了一种在机翼全局坐标系下综合考虑机翼扭转角、上倾角和后掠角的机翼刚度计算方法。以某大展弦比复杂机翼为例,用笔者提出的方法给出了复杂机翼刚度计算的具体过程与计算结果,并与国外文献的计算方法作了对比分析。结果表明:笔者所提出的方法概念更具合理性,刚度计算结果精度更高。文中所提出的方法可对大展弦比复杂机翼刚度计算分析提供有益参考。

复合材料机翼刚心轴线影响因素分析

采用有限元分析方法,确定复合材料机翼中刚心轴线的位置。建立一系列的复合材料机翼有限元模型,对影响刚心轴线位置的因素进行具体分析。结果表明,质量分布、展弦比和后掠角的变化对机翼刚心轴线位置有较大的影响,前后梁的位置、铺层形式、铺层比例和铺层顺序的变化对机翼刚心轴线位置的影响相对较小。本研究将为复合材料机翼的设计提供一定的参考。

后掠翼身干扰区流动显示

在水槽中利用激光片光源及荧光素纳染色液显示方法 ,研究了圆柱、机翼与平板交接区及后掠圆柱、后掠机翼变迎角情况下的干扰流场结构、特性及参数影响规律 .实验结果表明 ,除Re数之外 ,模型迎角、后掠角等参数对干扰区马蹄涡特性有很大影响 .研究发现后掠圆柱及后掠机翼在一定条件下存在一类既不同于马蹄涡也不同于卡门涡的空间稳定发展的三维旋涡系即背涡 .背涡在一定的迎角及后掠角条件下发生破裂 ;机翼背涡随迎角变化具有不同于圆柱背涡的特点 .讨论了干扰背涡产生的机制及其与马蹄涡的相互关系 .此外还给出了对于干扰流场典型截面的PIV测量结果 .

基于涡旋升力线模型的风机后掠叶片性能优化

为精确模拟后掠叶片的气弹特性,基于升力线理论建立后掠叶片非线性气弹耦合模型,并通过计算国家可再生能源实验室(NREL)5 MW直叶片和后掠叶片的稳态响应,验证模型的有效性和准确性.以运行变桨角为设计变量,年发电量为目标函数,以额定功率、叶尖挥舞位移和轴向推力作为约束条件,选择5 MW后掠叶片为原型,寻找5~25 m/s风速范围内各风速对应的最优变桨角,并将结果进行对比分析.结果显示,变桨角优化的后掠叶片,相比于原型叶片以及直叶片,年发电量分别提高8.58%、7.59%.

Gurney襟翼对大后掠三角翼气动特性影响的实验研究

本文通过风洞实验研究了Gurney襟翼对 70°大后掠角平板三角翼低速气动特性的影响 (基于三角翼根弦长的实验雷诺数为 3.16× 10 5) .实验结果表明 ,Gurney襟翼对以涡升力为主的平板三角翼仍有明显的增升作用 ;在较大的升力系数下 ,Gurney襟翼使相同升力系数下的阻力系数降低 ,从而使三角翼升阻比增加 ;相对高度为 2 .0 %、2 .5 %的Gurney襟翼带来的升阻比相对增量最突出 ,可达 4 0

不同叶片后掠角度下轴流泵叶顶区空化流场与性能研究

为研究轴流泵叶片后掠对叶顶区空化流场及性能的影响,以南水北调工程TJ04-ZL-02编号叶轮缩放模型为原型叶轮,将叶片重心积迭线圆周后掠得到后掠20°和后掠40°叶轮。基于ANSYS CFX软件对全流场进行数值模拟,对比分析原型叶轮与后掠叶轮流道内压力、空泡、流线分布的变化,并对不同空化条件下叶片后掠对叶顶区漩涡强度、涡量和速度场的影响进行分析。研究表明:后掠叶轮临界空化余量降低,后掠叶片吸力面空化面积及空泡体积分数均低于原型叶片。在空化工况下,叶片后掠减小吸力面侧低压区域,有效抑制叶顶区三角形空化云的发展。由于叶片后掠减小叶顶区压差,导致叶顶泄漏量减小,TLV核心区漩涡强度和涡量随后掠角度的增大而减小,随着空化程度加剧,TLV漩涡强度和涡量均变大,叶顶区流场更加复杂紊乱。

带翼型栅格翼的减阻特性研究

前后掠的方式能够有效的减小阻力,为了进一步解决栅格翼阻力大的缺点,文中针对栅格翼的气动特点,将翼型结构与前后掠式栅格翼的结构相结合并与普通栅格翼进行比较分析。采用结构与非结构的网格画法,在0.6~2.0 Ma下,通过数值计算结果表明：带有翼型结构的栅格翼相对于不带翼型结构的栅格翼能够更好的减小波阻,而翼型后掠式的结构综合性能较好。

不同前后掠角的栅格翼气动特性研究

阻力大是栅格翼的主要缺点。文中通过数值计算,对带有不同前后掠角度的栅格翼与普通栅格翼的气动特性进行了分析研究。数据结果表明:带有前后掠角度的栅格翼的减阻特性显著,同时拥有较好的升阻比特性,且亚音速下,前掠式栅格翼要比后掠式栅格翼的气动特性更好。

格壁后掠的栅格翼气动特性数值模拟

减阻是栅格翼研究中的一项重要任务。文中归纳了目前常用的减阻措施;通过对机翼后掠减阻的分析,以正置式栅格翼为基础,建立了格壁后掠的栅格翼的三维模型;然后进行数值模拟分析,结果表明格壁后掠对栅格翼气动特性和减阻特性起到了积极的作用,能够提高升阻比并减小阻力。